本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 搬運機械手設(shè)計搬運機械手設(shè)計 學(xué)學(xué) 院院 機電工程學(xué)院機電工程學(xué)院 專業(yè)班級專業(yè)班級 機械工程及自動化五班機械工程及自動化五班 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 XXXX 學(xué)生學(xué)號學(xué)生學(xué)號 XXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 XXXXXXXX 提交日期提交日期 2013 年 5 月 日 2 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計 （論文）（論文） 任任 務(wù)務(wù) 書書 茲發(fā)給 09 級機械（5） 班學(xué)生 xxxx 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書，內(nèi)容如下： 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 圓柱坐標(biāo)型電、液驅(qū)動型搬運機械手設(shè)計 2.應(yīng)完成的項目： （1）調(diào)研、搜集整理課題的相關(guān)資料，完成外文資料的翻譯，確定搬運機械手的 傳動方案； （2）完成傳動機構(gòu)設(shè)計及相關(guān)參數(shù)的選擇； （3）完成機械裝置相關(guān)零件的設(shè)計及選型； （4）完成機械裝置的 3D 裝配圖設(shè)計。 3.參考資料以及說明： （1）機械設(shè)計方面的資料及機械設(shè)計手冊。 （2）機器人及機械手設(shè)計資料。 （3）機械原理方面的資料。 4.本畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書于 2011 年 12 月 22 日發(fā)出，應(yīng)于 2012 年 5 月 15 日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。 專業(yè)教研組（系）負責(zé)人 審核 2012 年 12 月 24 日 指導(dǎo)教師（導(dǎo)師組負責(zé)人） 簽發(fā) 2012 年 12 月 24 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語： 畢業(yè)設(shè)計（論文）總評成績： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯小組負責(zé)人簽字： 年 月 日 I 摘摘 要要 機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬 運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化， 能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原 子能等部門。 現(xiàn)在的大型制造企業(yè)提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化，機 器人自動化生產(chǎn)線的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機器人技術(shù)和應(yīng)用水平在一定 程度上反映了一個國家的工業(yè)自動化水平，目前，是主要負責(zé)機器人焊接，噴漆，搬運和 堆垛和其他重復(fù)性和極其勞動力密集型的工作，工作時普遍采取展示教學(xué)和播放方法。 本文將設(shè)計一個四自由度機械手，主要功能是搬運。我們將機器人的基地，臂，前臂和機 器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后選擇相應(yīng)的驅(qū)動器模式，驅(qū)動模式，構(gòu)建機器人平臺的結(jié)構(gòu);。 本文機械手為電、液驅(qū)動型，4 自由度。通過機械設(shè)計手冊及相關(guān)設(shè)計資料，計算設(shè) 計機械手的造型及部分標(biāo)準(zhǔn)件的選型。繪圖使用了 Solidworks 及 Autocad 等軟件。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 機械手 液壓 電動 設(shè)計 II Abstract Also known as automatic robot hand that can mimic some of the manpower and arm motor function to grab a fixed procedure, handling objects or automatic operation device operating tools. It can replace human labor in order to achieve the production of heavy mechanization and automation in hazardous circumstances to protect the personal safety of operation, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and nuclear sectors. Now large manufacturing enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, universal attention of the production process automation, robotics important member of automated production lines, gradually being recognized by enterprises and adopt. Robotics and application level to some extent reflects a countrys level of industrial automation, at present, is mainly responsible for robot welding, painting, handling and stacking and other repetitive and extremely labor-intensive work, the work shows generally take teaching and playback method. This article will design a four DOF manipulator, the main function is handling. Our base of the robot arm, forearm and robotics design, and then select the appropriate drive mode, drive mode, the robot platform to build the structure;.This robot is electrical, hydraulic driven, four degrees of freedom. By Mechanical Design Handbook and related design data, computational design robot shape and some standard parts selection. Drawing using software such as Solidworks and Autocad. Keywords: manipulator the electric type articular Design III 目目 錄錄 摘摘 要要.I AbstractII 目目 錄錄III 第一章第一章 緒論緒論1 1.1 工業(yè)機械手1 1.1.1 工業(yè)機械手概述.1 1.1.2 選題背景.1 1.1.3 設(shè)計目的.2 1.2 機械手的組成與分類2 1.2.1 機械手的組成.2 1.2.2 機械手的分類.4 1.2.3 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)特性比較.6 1.3 國內(nèi)外發(fā)展情況6 1.4 課題的主要任務(wù)8 1.5 小結(jié)8 第二章第二章 手部結(jié)構(gòu)手部結(jié)構(gòu)9 2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計.9 2.2 驅(qū)動力的計算9 2.3 小結(jié)11 第三章腕部結(jié)構(gòu)第三章腕部結(jié)構(gòu)12 3.1 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計.12 3.1.1 概述12 3.1.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式12 3.2 收完驅(qū)動力矩的計算.13 3.3 滾動軸承的選擇14 3.4 水平導(dǎo)軌的選用15 3.5 小結(jié)16 第四章第四章 臂部的結(jié)構(gòu)臂部的結(jié)構(gòu)17 4.1 臂部設(shè)計的基本要求17 4.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇18 4.2.1 手臂的典型運動機構(gòu).18 IV 4.2.2 手臂運動機構(gòu)的選擇.18 4.2.3 手臂偏重力矩的計算.19 4.3 手臂升降液壓缸驅(qū)動力的計算.20 4.4 手臂升降液壓缸參數(shù)計算21 4.5 小結(jié)23 第五章第五章 底座部分底座部分24 5.1 底座的設(shè)計24 5.1.1 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求24 5.1.2 底座的組成部分24 5.1.3 底座電動機的選擇24 5.2 軸的設(shè)計.26 5.2.2 輸入軸的設(shè)計26 5.2.3 輸出軸的設(shè)計27 5.3 底座諧波傳動減速器的設(shè)計.28 5.4 底座傳動齒輪的設(shè)計.30 5.5 底座軸承的選用.33 5.6 小結(jié)33 結(jié)論結(jié)論34 參考文獻參考文獻35 致致 謝謝36 第一章 緒論 1 第一章第一章 緒論緒論 1.1 工業(yè)機械手工業(yè)機械手 1.1.1 工業(yè)機械手概述工業(yè)機械手概述 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一 種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生 產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效 率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算 機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)， 是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水 平的重要標(biāo)志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器 特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機 器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化 過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可 缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動 抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。 生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn) 品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射 性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、 鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣 泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置， 是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn) 重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械 手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲 得廣泛的引用。 1.1.2 選題背景選題背景 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它 是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是 電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新 興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn) 力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的 搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成 為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共 同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工 件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有 利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前 我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化 水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上 考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.1.3 設(shè)計目的設(shè)計目的 1、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自 動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 2、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及 工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部 分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨 重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可 以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上， 目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作 生產(chǎn)。 1.2 機械手的組成與分類機械手的組成與分類 1.2.1 機械手的組成機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之 第一章 緒論 3 間的關(guān)系如方框圖 2-1 所示。 圖 2-1 (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課 題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與 物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制 造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓 形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手 指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。 常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式 和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件， 并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油 缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或 電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯 仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立 I 因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為 可移式立柱。 5、行走機構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行 走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的 和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。 6、機座 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故 起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用 的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的 要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋 塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序 運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其 控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤 或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng) 一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流 控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動 作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令， 必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并 與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到 設(shè)定位置。 1.2.2 機械手的分類機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫 按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動 作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn) 的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。 2、通用機械手 第一章 緒論 5 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)， 其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用 機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動 化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服 型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以 上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機械手的 工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)， 可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾 要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方 便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性， 工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣 抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進 行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一 種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確 可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手， 因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程 長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其 運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通 用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工 業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.2.3 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)特性比較工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)特性比較 表 1-2-3 驅(qū)動系統(tǒng)特性 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 特 性 驅(qū) 動 類 型 功率 快 速 響 應(yīng) 結(jié) 構(gòu) 性 能 安 全效 率控制能力 安 裝 要 求 維 護 要 求 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 不太受限制 很 高 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí) 行機構(gòu)可做成 獨立結(jié)構(gòu)，易 于標(biāo)準(zhǔn)化，容 易實現(xiàn)直接驅(qū) 動。液壓密封 問題顯得重要。 防爆性能較 好，用液壓 油作為傳動 介質(zhì)，在一 定條件下有 火災(zāi)危險。 節(jié)流調(diào)速 為 0.3， 容易調(diào)速 為 0.6。 速度調(diào)節(jié)裝置、 配流元件、制動 裝置的結(jié)構(gòu)簡單， 能將速度位置控 制到精確值。 安裝要求高， 特別注意液 壓液泄露。 因有液壓源 設(shè)備，占地 面積較大。 要求水平 較高的維 護人員進 行定期的 維護。 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 有限制 較高 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí) 行機構(gòu)可做成 獨立結(jié)構(gòu)易于 標(biāo)準(zhǔn)化，容易 實現(xiàn)直接驅(qū)動， 密封問題不象 液壓系統(tǒng)顯得 突出 防爆性能好， 高于一個大 氣壓，應(yīng)注 意設(shè)備有爆 炸的危險0.150.2 調(diào)度調(diào)節(jié)機構(gòu)、 配流元件結(jié)構(gòu)簡 單，一般要求有 專門的制動裝置； 速度、位置控制 到精確值困難。 安裝要求不 太高 要求中等 水平的維 護人員定 期維護 電動驅(qū)動系統(tǒng) 有限制 高 電機易于標(biāo)準(zhǔn) 化，結(jié)構(gòu)性能 好，但電機后 面一般需配精 密減速器，除 特殊電機外， 難于進行直接 驅(qū)動。 設(shè)備自身無 爆炸和火災(zāi) 危險。直流 有刷電機對 環(huán)境的防爆 性能差。 0.5 左右 結(jié)構(gòu)簡單，控制 靈活性強，速度、 位置可控制到精 確值。 安裝要求隨 傳動方式不 同而異。 要求水平 較高的人 員定期的 檢查維護。 第一章 緒論 7 1.3 國內(nèi)外發(fā)展情況國內(nèi)外發(fā)展情況 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機 價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 65 萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系 統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機 器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化; 器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操 作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外， 裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、 觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化 系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機 器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人 的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走 出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用 的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置 已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)， 目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué) 和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運 等機器人;其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上 獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機 器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人 應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國 己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒 有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可 靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在 “863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m 水下 無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬 壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用 上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局 部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步， 與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng) 配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.4 課題的主要任務(wù)課題的主要任務(wù) 設(shè)計通用圓柱坐標(biāo)系機械手及控制系統(tǒng)。設(shè)計中的機械手各動作由液壓缸驅(qū)動，并有電磁 閥控制， 抓重300 自由度4 動作符號行程范圍速度 伸縮X100mm20mm/s 升降Z500mm20mm/s 回轉(zhuǎn)22020/s 1.5 小結(jié)小結(jié) 第二章 手部結(jié)構(gòu) 9 第二章第二章 手部結(jié)構(gòu)手部結(jié)構(gòu) 2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 2-1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.2 驅(qū)動力的計算驅(qū)動力的計算 如圖所示為連桿式手部結(jié)構(gòu)。作用在拉桿上的驅(qū)動力 3 為 P，兩連桿 2 對拉桿反作用 力為 P1、P2，其力的方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向 O 點并與水平方向成 角，由 拉桿的力平衡條件可知，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0 P=2P1cos P1=P/2cos 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 連桿對手指的作用力為 p1，因連桿 2 為 2 力桿。手指握緊工件時所需的力稱為握力 （即夾緊力） ，假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等， 方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡條件，即m01(F)=0 得 P1h=Nb 因 h=c cos 所以 P=2 b tg N/c 式中 b手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米） 。 c手指的回轉(zhuǎn)支點到連桿鉸鏈連接點的距離（毫米） 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力 P 一定時，握力 N 與 角成正切反比。 角小時可獲得較大 的握力，=0 的時候使手指閉合到最小位置即為自鎖位置，這時去掉驅(qū)動力，工件也不會 自行脫落。若拉桿再往下移動，則手指反而會松開，為避免這種情況的發(fā)生，需保持 大 于零，一般取 =3040。這里取角 =30 度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活等特點。查工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)中表 2-1 可 知，V 形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式 N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可 求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的 影響，其實際的驅(qū)動力 P 實際應(yīng)按以下公式計算，即： P實際=PK1K2/ 式中 手部的機械效率，一般取 0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取 1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計， K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度，g 為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為 500 毫米/秒，移動加速度 為 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 為 300N，V 型鉗口的夾角為 120,=30時，拉緊油缸的驅(qū) 2 動力 P 和 P 實際計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公 式 N=0.5G=150N 選取 b=50 c=30 由連桿杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 P=2btg N/c 得 P=P計算=250tg（30）15030288.68（N） 第二章 手部結(jié)構(gòu) 11 P實際=P計算K1K2/ 取 =0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P實際=288.681.51.1/0.85560.38(N) 2.3 小結(jié)小結(jié) 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 第三章腕部結(jié)構(gòu)第三章腕部結(jié)構(gòu) 3.1 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1.1 概述概述 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點： 1 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 2 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。 3 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以 及潤滑、維修、調(diào)整等問題 4 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露， 使外形整齊。 3.1.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回 轉(zhuǎn)角度為115. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和 定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的 兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)暈 動。 圖 3-1 腕部結(jié)構(gòu) 第三章腕部結(jié)構(gòu) 13 3.2 收完驅(qū)動力矩的計算收完驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動 時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋 等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn) 動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m） 式中 M 驅(qū)驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M慣慣性力矩 （N.m） M偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動 片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖 3-2 腕部回轉(zhuǎn)力矩 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m） 2 f 式中 f軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取 f=0.02，滑動軸承取 f=0.1； N1 、N2 軸承支承反力 （N）； D1 、D2 軸承直徑（m） 由設(shè)計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=300N e=0.020 時 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m） 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離） ，當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn) 中心線重合時，M偏為零 當(dāng) e=0.020，G1=300N 時 M偏 =6 （Nm） 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算M慣 M慣 =（J+J工件） （Nm） t 式中 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） T手腕啟動過程中所用時間（s） ， （假定啟動過程中近為加速運動） J手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kgm ） 2 J工件工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kgm ） 2 按已知計算得 J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m ,t=2 2 故 M慣 = 1.3（Nm） 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 M =1.11.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+6+1.3） =11.76 （N.m） 3.3 滾動軸承的選擇滾動軸承的選擇 選擇滾動軸承，當(dāng)載荷較輕、沖擊較小且轉(zhuǎn)速較高時，選球軸承；同時承受徑向和軸 向載荷、當(dāng)軸向載荷相對較小時，可選用深溝球軸承或接觸角較小的角接觸球軸承；當(dāng)軸 向載荷相對較大時，應(yīng)選接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。 圖 3-3 7000AC 型系列軸承簡圖8 第三章腕部結(jié)構(gòu) 15 表 3-9 7301AC 角接觸球軸承技術(shù)參數(shù) mm 軸承代號基本尺寸/mm70000AC(=25)極限轉(zhuǎn)速/(r/min) dDB基本額定動載荷/KN r C脂潤滑油潤滑 7301AC1237128.081600022000 軸承承受的軸向載荷，徑向載荷， （3-18） NFA9 .53mgFR 4321 mmmmm 式中:、分別為手部、水平滾珠絲杠、水平電機、水平導(dǎo)軌的重量，所 1 m 2 m 3 m 4 m 以 N 51210101520 R F 軸承的當(dāng)量動載荷： （3-19） AR YFXFP 式中:徑向載荷系數(shù)； 軸向載荷系數(shù)，、 值如表 3-10 所示。XYXY 表 3-10 徑向載荷系數(shù) X 和軸向載荷系數(shù) Y 單列軸承雙列軸承 eFF RA eFF RA eFF RA eFF RA 軸承 類型 e XYXYXYXY 角接觸球 軸承 7000AC 0.68100.410.8710.920.671.41 所以N 53905391P 軸承的預(yù)期壽命=50000h, (h) （3-20） h L nP C L h 60 106 式中： 壽命指數(shù)，對球軸承 =3，對滾子軸承 =10/3 軸承轉(zhuǎn)速，單位 r/min n 計算基本額定動載荷 C 3.4 水平導(dǎo)軌的選用水平導(dǎo)軌的選用 導(dǎo)軌的計算載荷為： c F 33 2 3 21 3 1 LLFLFLFF nnc 選用 HIWIN 品牌 EGR15U 型號水平導(dǎo)軌 圖 3-4 EGR15U 導(dǎo)軌基本參數(shù) 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 圖 3-4-1 導(dǎo)軌精度等級 3.5 小結(jié)小結(jié) 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 17 第四章第四章 臂部的結(jié)構(gòu)臂部的結(jié)構(gòu) 4.1 臂部設(shè)計的基本要求臂部設(shè)計的基本要求 一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 （1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。 （2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。 （4） 注意簡化結(jié)構(gòu)。 （5） 提高配合精度。 二、 臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高 速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在 10001500mm s: 內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角 0 180s1000mm s 0 90s 速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂 部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3 個途徑： （1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。 （2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。 （3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮） ，盡 可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。 （4） 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 三、手臂動作應(yīng)該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機 械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐 軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象） 。為此，必須計算使之滿足不自 鎖的條件。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 4.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 4.2.1 手臂的典型運動機構(gòu)手臂的典型運動機構(gòu) 常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種： （1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。 （2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動， 如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙 層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。 （3）雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。 （4）活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。 4.2.2 手臂運動機構(gòu)的選擇手臂運動機構(gòu)的選擇 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到 給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升 降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。 ；立柱的橫向移動即為手臂的橫向 移動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓 取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活 性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據(jù)機 械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu) 型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手 腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求： 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合 理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得 多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設(shè)置導(dǎo)向裝 置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。 為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂 對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的 定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運動部 分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 19 通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙作 用液壓缸。 4.2.3 手臂偏重力矩的計算手臂偏重力矩的計算 初計算 G1 =300N G2 =100N G3 =300N G4 =500N 所以 G總 =G1 + G2 + G3 + G4=300+100+300+500=1200N 初計算工件 =1000mm 手部 =900mm 手腕 =700mm 手臂 =400mm G1G2G3G4800000 660mm G1 G2G3G41200 工件手部手腕手臂 所以偏轉(zhuǎn)力矩 M偏 =G總L=19000.642=1219Nm 式中 重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離（mm） 4.2.4 升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 手臂在 G總的作用下有向下的趨勢，而立柱導(dǎo)套則防止這種趨勢。 由力平衡條件得： FR h=G 總 所謂不自鎖的條件為：G總 F1 + F2= 2F2 =2FR 查表得 =0.25 即 G總 =G總 + G回轉(zhuǎn)缸 + G活塞桿 取 G回轉(zhuǎn)缸 =200N G活塞桿 = 500N 因此 G總 =G總 + G回轉(zhuǎn)缸 + G活塞桿 =1900N 立柱導(dǎo)套長度大于 330mm 式中 摩擦系數(shù) h立柱導(dǎo)套的長 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 4.3 手臂升降液壓缸驅(qū)動力的計算手臂升降液壓缸驅(qū)動力的計算 由手臂升降驅(qū)動力的公式得： F 驅(qū) =F 摩+F 慣+F 回+F 密G 總 （1）F摩的計算 F摩 =2FR 取 =0.25 FR=4600N 所以 F摩 =2FR =246000.25 =2300N （2）F慣的計算 由摩擦力公式 式中 V由靜止加速到常速的變化量（mm/s） t啟動過程時間（t） ，一般取 0.01s0.05s。 手臂啟動速度V=0.025m/s,啟動時間t=0.02s，g=9.8N/kg,帶入數(shù)據(jù)得： GV2300 0.025 = g t9.8 0.02 F293.4N : : 總 慣 (3) F回的計算 一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。 （4）F密的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用 O 型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓 力小于 10MPa 時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： F密 =0.03F驅(qū) 經(jīng)過以上的分析計算，液壓缸的驅(qū)動力為： F驅(qū) =F摩+F慣+F回+F密G總 =2300 + 293.4 + 0.03 F驅(qū) 2300 所以 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時 F驅(qū) =5044.7N 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時 F驅(qū) =302.4N 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 21 圖 4-3 升降液壓缸 4.4 手臂升降液壓缸參數(shù)計算手臂升降液壓缸參數(shù)計算 升降液壓缸的工作壓力由驅(qū)動力與液壓缸工作壓力關(guān)系表，可得 P=0.8MPa，為了滿 足要求，此時取 F驅(qū) =1.25044.7N=6053.6N 進行計算。 驅(qū)動力與液壓缸工作壓力關(guān)系表 2-1 （1）液壓缸內(nèi)徑 D 計算： 當(dāng)油從無桿腔進入： 2 F F 1 D 4 P1驅(qū) 當(dāng)油從有桿腔進入： 22 F F 2P d 4 2 D 驅(qū) 液壓缸的有效面積： F P S 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 22 所以 （油從無桿腔進入） 4F P1 D （油從有桿腔進入） 2 4F d P2 D 式中 F驅(qū)手臂升降液壓缸驅(qū)動力（N） D液壓缸內(nèi)徑（mm） d活塞桿直徑（mm） 液壓缸機械效率，在工程機械中可用耐油橡膠查表得 =0.90 P液壓缸的工作壓力（MPa） 帶入數(shù)據(jù)得： 6 4 F4 6053.6 P1314 0.8 10 0. 00.90 077mD 驅(qū) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（JB82666） ，為了更好的滿足要求，選取液壓缸的內(nèi)徑為： D=75mm 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列表 2-2（JB82666） 單位 mm （2）活塞桿直徑 d 計算 活塞桿直徑 d 根據(jù)工作壓力選取，當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比 v 有要求時，則： v 1 v dD 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑表 2-3 液壓缸工作壓力 P/MPa5577 推薦活塞桿直 d（0.50.55）D（0.60.7）D0.7D 液壓缸往復(fù)速度比推薦值表 2-4 工作壓力 p/MPa10102020 往復(fù)速度比 v1.331.4622 由液壓缸往復(fù)比推薦值表可知 v=1.33,帶入公式則有： 第五章 底座部分 23 v 1 75 v dD 1.33 1 37.6 1.33 mm 活塞桿直徑系列表 2-5（JB82666） 根據(jù)活塞桿直徑系列（JB82666） ，選取活塞桿直徑為：d=40mm 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表 2-6（JB106867） 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求，取液壓缸外徑 D=95mm 所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為： 液壓缸內(nèi)徑 D液壓缸外徑 D工作壓力 P活塞桿直徑 d驅(qū)動力 F 75mm*995 mm0.8MPa40mm6053.6N 4.5 小結(jié)小結(jié) 機械手臂部結(jié)構(gòu)，主要起到了升降作用。選用液壓傳動，驅(qū)動力較大。由于底座采用 了空心軸與實心軸的配合，因此精度略有下降，因此液壓缸套桶旁邊增加了一個豎直滑軌 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 24 第五章第五章 底座部分底座部分 機械手轉(zhuǎn)動部分是為機械手沿 Z 軸方向轉(zhuǎn)動而設(shè)計。為實現(xiàn)此目的，本次設(shè)計的機械 手轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)由底部電機、聯(lián)軸器、減速器、基座組成，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計從驅(qū)動裝置的選擇進 行展開。做設(shè)計時應(yīng)注意：電機的功率可先按照勻速運動時的功率計算，再考慮到加速、 減速等情況，取安全功率 P=1.5P勻速 。減速器的總傳動比根據(jù)機械手的轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速 確定。 5.1 底座的設(shè)計底座的設(shè)計 5.1.1 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 1.要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性。 2.機座承受機器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強度。 3.機座要有足夠的剛度和承載能力。 4.機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。 因此機座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動間隙的調(diào)整 機構(gòu)。 5.1.2 底座的組成部分底座的組成部分 機械手的底座由上下兩部分組成 上部分：由電機，諧波傳動減速器組成。作用是傳遞扭矩，降低電機轉(zhuǎn)速、 下部分：由一對齒輪，中間軸及輸出軸組成，作用是帶動上臂旋轉(zhuǎn)做弧形運動 5.1.3 底座電動機的選擇底座電動機的選擇 （1）底部電機的扭矩計算 機械手旋轉(zhuǎn)的扭矩為 12N.m，因此選擇電機的扭矩為 15N.m。 （2）底部電機的轉(zhuǎn)速計算 設(shè)計要求機座的轉(zhuǎn)動速度=20/s, 所以可得轉(zhuǎn)速 r/min 15 2 60 n (3)底部電機的功率計算 kW 98. 0MPd 第五章 底座部分 25 選用，型號為 SM 130-150-15 LFB 表 5-1 SM 系列伺服電機 表 5-2 130 型號伺服電機參數(shù) 圖 5-3 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速圖 圖 5-4 伺服電機簡圖 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 26 5.2 軸的設(shè)計軸的設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是定出軸的合理外形和軸各段的直徑、長度和局部結(jié)構(gòu)。 軸的結(jié)構(gòu)取決于軸的承載性質(zhì)、大小、方向和傳動布置方案，軸上零件的布置與固定 方式，軸承的類型與尺寸，軸毛坯的形式，制造工藝和裝配工藝，安裝運輸條件和制造經(jīng) 濟性等等。設(shè)計軸的合理結(jié)構(gòu)，要考慮的主要因素如下： 1.受力合理，扭矩合理分流，彎矩合理分配 2.盡量減輕質(zhì)量，節(jié)約材料，盡量使用等強度外形尺寸 3.軸上零部件定位應(yīng)可靠 4.盡量減少應(yīng)力集中，提高疲勞強度 5.考慮加工工藝所必需的結(jié)構(gòu)要素 6.便于裝拆和維修 7.要求剛度大的軸，要考慮減少變形的措施 8.在滿足使用要求的條件下，合理確定軸的加工精度和表面粗糙度，合理確定軸與 軸上零件的配合性質(zhì) 9.符合標(biāo)準(zhǔn)零部件及標(biāo)準(zhǔn)尺寸的規(guī)定 5.2.2 輸入軸的設(shè)計輸入軸的設(shè)計 根據(jù)機械設(shè)計手冊第五版 ，可知軸的一般材料如表 5-2-1 正火100240610360260150 100300170271600300240140 300500580290235135 500750560280225130 750100156217540270215125 調(diào)質(zhì)100300217255650360270155 彎曲疲勞極限扭轉(zhuǎn)疲勞極限 45 正火 回火 162217 材料牌號熱處理 毛坯直徑/mm硬度/hb抗拉強度屈服點 表 5-5 軸的主要力學(xué)性能 底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動到小齒輪上，